Automatizované měření stromů pozemním laserovým skenerem

Vratislav Mansfeld, Daniel Balín, Petr Macháček, István Pál

Ústav pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem (ÚHÚL) s týmem odborníků z Technické univerzity Mnichov, katedry Nauky o růstu lesa (TUM) pod vedením prof. Dr. Hanse Pretzsche, řeší možnosti využití technologie 3D laserového skenování lesních stanovišť za účelem získání dendrometrických dat jednotlivých stromů i celých lesních porostů. Uvedená spolupráce je realizována v rámci společného projektu, který je podporován Evropskou unií v programu Interreg IIIA.

V Lesnické práci 8/2007 byla tato moderní metoda pro zachycení a zjištění skutečného stavu lesních porostů stručně popsána. Laserové skenování porostních struktur v lesnické praxi pro své možnosti, především v oblasti následného zpracování naměřených dat, nabývá na významu, a proto je vhodné se touto technologií zabývat. Cílem spolupráce je rozvoj praktické použitelnosti uvedené technologie v lesním hospodářství. Zatímco letecké měřičské systémy byly již v lesnické praxi s různou úspěšností nasazeny, pozemní systémy se zcela novými možnostmi měření dendrometrických dat i zachycení struktur lesních porostů se nacházejí ještě ve fázi ověřování, popřípadě vývoje.

Laserový skener
Princip laserového skenování je založen na odrazu a zpětném zachycení vyslaného laserového impulzu od povrchu předmětu. V lesnické praxi například od stromu, větve, listu a také povrchu terénu. Zaznamená
se aktuální vzdálenost horizontálního i vertikálního úhlu a intenzita laserového světla, odraženého od objektu. Skener se v průběhu měření vychýlí o 360 ° a vertikálně rotující zrcadlo směruje laserový paprsek v úhlu 90 °. Současné otáčení hlavy skeneru a zrcadla umožní měření téměř ve všech směrech. Prostorové polární, popřípadě cylindrické souřadnice (vzdálenost, horizontální a vertikální úhel) je možné přepočítat do trojrozměrné kartézské soustavy souřadnic. Z důvodu uceleného sběru lesnicky významných dendrometrických veličin a zároveň pro dosažení požadované přesnosti se laserová měření zvoleného stanoviště provádějí z více různých pozic. Následně se jednotlivá dílčí měření převedou do jednotného systému souřadnic a spojí se v celistvý obraz. Změřená „surová data“ jsou uložena v souborech systémem x-y-z souřadnic.

Průběh testování laserového skenování
Na podzim roku 2006 byly vybrané plochy národní inventarizace lesů a trvalých zkusných ploch snímány technologií laserového skenování. Pracovní aktivity probíhaly v lokalitách Šumavy (ČR) a Bavorského lesa (Německo). Po terénním šetření následovalo kancelářské zpracování. V první fázi se porovnávaly výsledky měření tradičních dendrometrických metod s výsledky laserového skenování. Odchylky jednotlivých měření prošly statistickým vyhodnocením. Souběžně se vyvíjely první algoritmy umožňující automatický odečet dendrometrických veličin z výstupu laserového skenování. Následující řádky podají stručný přehled o spolupráci mezi ÚHÚL a TUM, především z oblasti poloautomatického vyhodnocení dat získaných laserovým skenerem.
Pracovníci ÚHÚL provedli zpracování dat ve firemním software firmy RiSCAN Pro, dodávaným se skenerem. SW umožnil měřit základní veličiny stromu (výška, výčetní průměr a nasazení výšky koruny stromu). Následně se tyto hodnoty porovnaly s konvenčně měřenými údaji, což umožnilo ověřit přesnost 3D laserové technologie. Na obrázku 2 je ukázka ze softwarového prostředí RiSCAN Pro.
Tým spolupracovníků na technické univerzitě Mnichov se zaměřil na automatizované získávání údajů analýzou 2,5D obrazu jako jednoho z výstupů 3D laserového skenování. Zároveň je řešena problematika lokální digitální geometrie a topologie v naskenovaném bodovém mračnu.

Automatizace vyhodnocování dat z laserového skenování
Pro automatizaci vyhodnocování dat z laserscanneru byla zvolena cesta přes analýzu 2,5D obrazu, protože nepředstavuje takovou náročnost jako analýza celé 3D struktury. Přitom tento postup poskytuje velmi dobré výsledky. 2,5D obraz je tvořen pixely (v xy souřadnicovém systému) jako klasické 2D zobrazení a každý tento pixel obsahuje informaci o své přesné z-souřadnici (rozdíl od klasického 2D zobrazení fotografií). Tato informace je důležitá pro následnou analýzu obrazu. Ukázka segmentace stromů uvedenou metodou je na obrázku 3, kde první část je originální 2,5D obraz, druhá část je po provedené segmentaci. Spodní obrázek zachycuje segmentovaný panoramatický 2,5D obraz celé inventarizační plochy. Obraz lokality je segmentován s omezením na vzdálenost 12,6 m od roviny kamery, která v tomto případě charakterizuje střed inventarizační plochy o poloměru 12,6 m a tím z celého naskenovaného mračna bodů vylišuje pouze stromy v rámci inventarizační plochy.
Následným krokem je přesné určení povrchu terénu (půdy) v mračnu bodů, které je provedeno vylišením linie horizontu inventarizační plochy - viz obrázek 4. Na horním snímku je originální obraz z laserscanneru a na spodním snímku pak panoramatický snímek celé inventarizační plochy se separovanou linií horizontu po analýze originálu.
Následuje analýza, která spočívá v skeletizaci kmenů a větví z pixelové struktury obrazu. Přesnost této metody závisí na použité velikosti pixelů. Příklad výsledku analýzy je vidět na obrázku 5, kde ve výřezu snímku je graficky naznačen princip metody použitého algoritmu.

Problematika lokální digitální geometrie a topologie
Při analýze dat vzniká otázka, jak v pixelové struktuře definovat a určit průměr větve stromu. Zde jsou naznačeny tři možnosti určení průměru větve stromu:
- na základě vyplněných pixelů danou větví,
- určením minimální vzdálenosti protilehlých okrajů větve,
- měření průměru v rovině kolmé na osu průběhu větve stromu.
Možnosti jsou graficky naznačeny na obrázku 6.
Pro rozpoznávání a charakteris-tiku kmenů stromů se používá metoda určování vhodných algoritmů, vedoucí k automatickému nahrazení mračen bodů adekvátními geometrickými objekty (kruhy nebo elipsami). Ty potom následně poskytují co možná nejpřesnější rozměrové parametry naskenovaných objektů (stromů), což je zřetelně vidět na obrázku 7.

Závěr a perspektivní záměr
V současné době byly použity při zpracování dat běžné algoritmy z oblasti dvou a trojrozměrného obrazu. Údaje byly zjištěny prostřednictvím technologie pozemního skenování lesních porostů. Podstata práce spočívá ve výběru nejvhodnější metodiky pro odečet různých dendrometrických veličin z pořízených snímků laserscan-neru, popřípadě v testování jejich použitelnosti pro různorodé porostní struktury. Zde nachází uplatnění data pořízená v rámci společného projektu na plochách národní inventarizace lesů a trva-lých výzkumných ploch. Při snímání dat byl kladen důraz na to, aby bylo zachyceno široké spektrum dřevin různého stáří a rozma-nité struktury porostů. Po ukonče-ní stávajícího projektu v polovině r. 2008 je záměr získané poznatky integrovat v navazujícím plánovaném projektu do modulového softwarového systému. Tato aplikace by mohla umožnit vyhodnocení údajů obdržených prostřednictvím technologie pozemního lasero-vého skenování bezprostředně během terénního měření v lesních porostech.

Seznam použité literatury je k dispozici u autorů.

Autoři:
Ing. Vratislav Mansfeld
Ing. Daniel Balín
Ing. Petr Macháček
ÚHÚL Brandýs nad Labem

István Pál
TU München

E-maily: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. ,
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
Foto: István Pál a Petr Macháček